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當代集裝箱建筑模塊化設計策略研究(23)

2013年4月5日

第七章 集裝箱建筑的結構組成及其安全性設計

結構是建筑的一大要素之一,任何建筑物都必須具有穩固、安全的結構。建筑的結構設計涉及到組成結構的基本單元組件的材料與形式,每一種結構體系都具有不同的受力特點與構成方法。使用不同的結構體系所生成的建筑空間,在具有其自身獨特的優越性的同時,也必然具有一定的局限性。作為建筑師,在使用集裝箱結構體系進行設計時,必須對集裝箱結構的優越性與局限性具有充分的理解,才能將集裝箱結構體系的特點與建筑功能的要求協調好,充分發揮集裝箱結構的優越性,避開其局限性。

集裝箱是一種針對運輸使用而設計產品,將這種產品作為建筑組件使用,必須考慮其結構強度是否滿足建筑用途的要求。此外,在集裝箱建筑中,集裝箱需要結合其他的構件或結構體系才能創造出更加豐富多樣的功能與形式,這就涉及到集裝箱這種建筑組件與其他組件的協調與配合。本章將介紹集裝箱的結構特點,分析在箱體開洞和上下箱體不對齊搭接的情況下如何保證集裝箱建筑的結構穩定與安全,另外還將討論集裝箱模塊與其他結構組件之間的結合問題。

7.1 集裝箱的結構特點

組成集裝箱的主要構件包括耐候鋼板、鋼梁、鋼柱以及角件等,其結構是由框架與鋼板共同形成的整體結構,具有很高的抗壓、抗彎能力(圖 7-1)。集裝箱作為運輸容器在碼頭或輪船上堆積時,為節省用地通常采用多層疊置的方式,標準集裝箱裝上貨物后可堆放至6-8層的高度。多箱體上下疊置時的垂直荷載主要由集裝箱的4根角柱承擔。

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圖 7-1 單箱體的組成部分

集裝箱箱體的設計強度能夠抵御很強的沖擊與荷載,集裝箱的結構設計強度要大于一般建筑的結構設計強度,因此,完整的集裝箱能夠較好地滿足建筑結構對強度的要求。然而在實際操作中主要有兩種情況可能會削弱箱體的結構強度,對結構安全造成隱患。

一方面,在集裝箱建筑中,箱體的搭接方式往往不同于碼頭集裝箱上下對齊的規則堆放,運輸集裝箱的堆放通常采用上下箱體的4根角柱對齊的方式,豎向荷載主要通過角柱來傳遞。而集裝箱建筑為使功能、空間以及形體的組合產生一定的變化,常常需要通過多個箱體之間的錯動、交叉或懸挑等方式進行搭接,這時豎向荷載可能作用在除角柱外的其他部位上,這些部位未必具備和角柱一樣的承載能力,因此可能造成結構的失穩。

另一方面,運輸中的集裝箱都具有完整的箱體結構,而將集裝箱作為建筑組件使用時,往往需要對箱體外殼進行開洞處理,這時箱體結構的整體性會受到一定程度的破壞。尤其是需要移除整面側墻來拓展空間時,會大大削弱集裝箱模塊的抗彎和抗剪能力,如果不進行加固處理,會對箱體模塊的起吊與平日使用造成安全隱患。

由于上述的兩種情況在集裝箱建筑中極為常見,因此作為集裝箱建筑的設計人員,必須掌握應對這兩種情況的解決辦法,以保證集裝箱建筑的結構穩定與安全。

7.2 箱體開口部位的設計原則與加固措施

將集裝箱作為建筑組件使用需要在箱體上開設門窗等洞口,有時甚至需要移除整面側墻使箱體內部空間得以延伸與拓展,這些處理都會破壞集裝箱箱體結構的整體性,為保證結構的安全,常常需要對箱體開口進行加固,集裝箱箱體的開口以及加固處理需要遵循以下的原則:

1. 控制開口的數量、大小與形狀。很明顯,開口的數量越多,面積越大,對箱體結構的影響就越大,為盡量保持箱體結構的完整,減輕開設洞口對箱體抗剪與抗彎性能的削弱,應當盡量減少開口的數量與面積。此外,根據箱體模塊的受力特點,在條件允許的情況下,開窗形式應首選豎向條窗,以減輕對箱體抗彎與抗剪能力的削弱(圖 7-2)。

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圖 7-2 集裝箱上的豎向條形窗

2. 由于箱體橫向截面的寬度比縱向截面的寬度要小,橫梁比縱梁短,在兩端山墻面上開洞對結構整體穩定性的影響要弱于在側墻面上開洞,因此,在可以選擇的情況下,可以首先考慮在山墻面上開設洞口(圖 7-3)。

集裝箱山墻面上的落地窗,集裝箱房屋,集裝箱建筑,集裝箱住宅,集裝箱活動房,住人集裝箱

圖7-3 集裝箱山墻面上的落地窗

3. 當在箱體墻面上開口時,需要在開口四周設置鋼框加固,鋼框一般由矩形或 L 形槽鋼制成。如果開口面積很大,還需根據開口的尺寸以及屋面荷載、風荷載決定是否需要設置梁、柱等支撐構件(圖 7-4、7-5)。

箱體結構的失穩,集裝箱房屋,集裝箱建筑,集裝箱住宅,集裝箱活動房,住人集裝箱

圖 7-4 箱體結構的失穩

箱體大面積開洞的加固措施,集裝箱房屋,集裝箱建筑,集裝箱住宅,集裝箱活動房,住人集裝箱

圖 7-5 箱體大面積開洞的加固措施

4. 在室內空間尺寸允許的情況下,在靠近梁、柱的部位,開口的切割最好留下100~200mm寬的的邊緣,這樣做可以優化洞口的強度與整體性。否則需要根據情況增設橫梁或增大原有橫梁的截面高度。凸出的邊緣可用吊頂與架空地板遮蓋。

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